JP3948756B2 - 自続的デトネーション装置 - Google Patents

Description

発明の目的
本発明は、一般的に、ガスデトネーション・コーティング技術の分野に関するものであり、より詳しくは、自続的デトネーションによりガスデトネーション・コーティング装置のデトネーション速度を向上させることに関する。
本発明において説明されるような自続的デトネーション装置はまた、「パルス燃焼装置」に関連している。パルス燃焼装置は、（第二次世界大戦において用いられたドイツのＶ−１「バズ爆弾」のような初期の「パルスジェット」から、最近の「パルスデトネーションエンジン」すなわちＰＤＥ’ｓに至るまで）主に推進用途のために開発されてきたが、それはまた乾燥、溶錬、水の加熱およびスラリーの噴霧化のような用途にも有用であることが認められてきた。この発明は、特にデトネーション・コーティング装置として用いられるが、それに限定されるものではない、特定のパルスデトネーション装置の開発に関する。
発明の背景
一般に、コーティング（被覆またはコーティング）は、熱、磨耗および腐食のような厳しい環境条件に曝されることにより受ける影響から基体を保護している。コーティングの保護能力における重要な要素は、そのコーティングが基体にどのように適用されるかということに関係している。多くの工業的適用において、コーティングは熱噴霧（スプレー）技術によって塗布されている。二種類の熱噴霧装置として、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxygen Fuel：高速酸素燃料）ガン（またはＨＶＯＦ銃）およびデトネーションガン（またはデトネーション銃）がある。
ＨＶＯＦガンにおいては、連続的な高温燃焼が超音速の高エネルギーのフロー・ストリームを生成している。一般にＨＶＯＦガンのバレルの中で、連続的な高エネルギーのフロー・ストリームに挿入されたコーティング用（塗布用）粉体は、基体に適用されたときにコーティングを形成する。これとは対照的に、デトネーションガンはパルス方式で作動し、可燃性ガスのデトネーションの運動および熱エネルギーを利用して、粉末状のコーティング材料をパルス的に基体上に付着させる。燃焼チャンバーはある量の燃料とオキシダント（または酸化剤）ガスを収容する。点火プラグは可燃性ガズ混合物に点火して、デトネーションに変化する燃焼を引き起こす。このデトネーションによって形成される衝撃波は超音速で燃焼チャンバーから、適当なコーティング用粉体が一般に供給されるバレルの中へ移動する。衝撃波および更に膨張しているデトネーションの生成物はコーティング用粉体がバレルの外へ出ることを推進し、粉体を基体に付着させる。それによりコーティング層（塗膜層）が形成される。このプロセスは基体に十分な厚さのコーティング層が形成されるまで繰り返される。いくつかのデトネーション噴射システムにおいては、次々と行われる点火と点火との間で、窒素のような不活性ガスを燃焼チャンバーに供給して、燃焼を停止させ、また燃料および酸素供給源へのバックファイアを防止し、また、燃焼チャンバーおよびバレルから燃焼デトネーション生成物をパージする。
デトネーションの機構はデトネーションガンの操作にとって重要である。デトネーションは、秒速４０００（ｍ／ｓ）程度の高速、すなわち超音速で移動する衝撃波を生じさせ、摂氏３０００度程度の高温となるよう温度を上昇させる。デトネーションガン内でのデトネーションは、燃料（すなわち、天然ガス、プロパン、アセチレン、ブタン等）の種類および量、燃料および酸素の混合比、燃焼チャンバー内のガスの初期（または開始）圧力、および燃焼チャンバーの幾何学的構造によってコントロールされる。可燃性混合物の一部の繰り返しの着火は、燃焼チャンバー内のエントロピーを増加させる燃焼をもたらし、次々に、燃焼チャンバー全体にわたって可燃性混合物の着火を伝搬する。所定の体積の中で十分な局部的な圧力と温度を与えるパラメータの適正な組み合わせによって、蓄積された燃焼エネルギーは、デトネーションへの移行を生じる。
適当なある瞬間において、デトネーション波面は個々のデトネーションセルが集まったシステムから成る。セルレベルでのデトーネーションの挙動は、一般的なデトネーションガンの制御と操作における重要な属性である。デトネーションセルは、多次元構造であり、衝撃波の波面と横衝撃波の両方の影響下で形成される。衝撃波の波面の伝搬はデトネーションによって生じるものであるが、これは燃焼チャンバーの内周に対して垂直であり、そして燃焼チャンバーの閉鎖（または密閉した）端部から燃焼チャンバーの開放端部に向かっている。横衝撃波もまた燃焼チャンバーの内周で生じ、燃焼チャンバーの中心線に近づいた後、そこから遠ざかるように移動する。本明細書において、デトネーション波は、いくつかの横衝撃波を含むデトーネーション波面の多次元的な構造の最終状態を構成する。
デトネーションセルの前面は凸形状を有する。前面の背後には化学反応が起こる反応ゾーンがある。セルの端部では、横衝撃波が、デトネーションセルの前面に対して実質的に直角となるように生じる。横波は、横波の後部の端から延びるアコースティックテール（Acoustic tail）を有しており、デトネーションセルの後部の端を規定している。横波はセルからセルへ移動し、互いに反射し合い、また燃焼チャンバー壁のような制限された構造物から反射する。一旦デトネーションが開始すると、後のデトネーションサイクルが先のデトネーションの際と同様の条件の下で開始され、そして維持されれば、反応はかなり安定した状態で続く。
衝撃波は、燃焼チャンバーの閉鎖端部から燃焼チャンバーの開放端部に向かって移動しバレルの中に入る。特に重要なことは、バレルへ入る前に燃焼からデトネーションへの変化を完全にするために、燃焼チャンバーが十分な長さと十分な直径を有することである。そうでない場合、蓄積されたエネルギーはバレルの中で消散し得る。また、デトネーションガンの操作においては、衝撃波を生じさせること、ならびにガス状のデトネーション生成物の大量の運動エネルギーと熱エネルギーの多くがバレルから基体上への粉体の噴出に直接的にあずかることができるよう、衝撃波を可能な限り効率的にバレルに導くことが重要である。しかしながら、他の波構造体に衝突して反射した横波は弱くなる場合があり、その結果、デトネーション波が燃焼チャンバーを通過する際のデトネーションエネルギーの伝達とデトネーション波の速度の両方が減少する場合がある。これらの衝突は、コーティング用粉体へ伝達されるために用いられるエネルギーの量を減少させ、それにより、コーティングと基体の間の付着性を減少させ、かつコーティングそのものの密度を低下させる。
デトネーションセルのサイズはデトネーションガンの制御と操作において、もう一つの重要な属性である。セルサイズは燃料の分子の性質、燃焼チャンバー内の初期圧力および燃料／酸素の比の関数である。ある条件での特定のセルのサイズは、実験的に決定され得る。セルの幅Ｓｃは連続する横波と横波との間で波面に沿って測定される。セルの長さＬｃは、測定される波面に対する接線から、隣接する横波のアコースティックテール同士の交点までの垂直な距離である。セルの幅Ｓｃのセルの長さに対する一般的な比は、検討中のデトネーション（または爆轟）可能なガスについてＳｃ＝０．６Ｌｃである。特定のデトネーションガンの物理的なパラメータ、例えば幾何学的構造および操作圧力は、特定の燃料および酸素の混合物についてのセルサイズによって決定される。
一般的なデトネーションガンにおいて、デトネーション可能な混合物の成分は燃焼チャンバーに供給され、コーティング用粉体はデトネーション波に先立って不活性ガスによりバレルに直接供給される。あるガスを含む系および種々のガスは途切れることのないソースから、ガンのバルブアレンジメント（またはバルブ配列）を経由して供給される。例えば、粉体用バルブの操作は点火プラグの点火と同調させられ、その結果、粉体と搬送ガスはバレルに沿って、デトネーション波によって適切な結果をもたらされるようになっている。一般にガスコントロールバルブは、カムおよびタペットもしくはソレノイドのような機械的な手段によって開放されるが、そのような機械的手段は、速やかに部品を動かすという点において信頼性の問題がある。粉体用のバルブは、粉体を輸送する役割を果たすべきものであるが、粉体は、本質的に物をすり減らす作用を奏しやすく、このことはガンの寿命ならびにメンテナンスに関する問題を生じさせる。更に、バルブは、それが漏れを生じさせている、開放されたまま動かなくなる、あるいは壊れている場合には、デトネーション生成物が漏出するような別の、そして潜在的に危険な経路を与えるという点で、安全性の面においても問題がある。これらのメカニズムの更に不都合な点は、適当な量のガスがバルブを経由して通過できるようバルブを十分にしかも長い時間開放しなければならないために、ガンが点火し得る頻度を制限する場合がしばしばあることである。
デトネーションガンがコーティング用粉体を基体に付着させる速度は、工業的な適用において重要な経済的パラメーターである。付着速度は、種々の要因、例えば燃料の種類、燃料供給システム、燃焼チャンバーおよびバレルの幾何学的構造、粉体供給システム、連続する起爆と起爆との間のシステムのパージ、ならびに可燃性ガス混合物をデトネーションさせる頻度によってコントロールされ、またそれらにより制限される場合もある。付着速度は、噴霧速度と噴霧されるエリア（「スプレースポットスクエア」：”spray spot square”）との間の比として表される。噴霧速度は、単位時間あたりに用いられるコーティング用粉体の量、一般にはKg／時間によって示され、一般に１〜６Kg／時間の範囲である。噴霧速度は、可燃性ガス混合物をデトネーションさせる割合によって明らかに大きく影響される。一般的なデトネーションガンにおいて、点火プラグは可燃性ガス混合物に点火する手段であり、１秒あたり最大６〜１０回の割合でデトネーションを引き起こす。スプレースポットスクエアは、ガンの１回のデトネーションによりコーティングされるエリアであって、バレルの面積に凡そ等しく、一般にmm²で表される。一般的な工業用デトネーションガンの付着速度は約０．００１〜０．０２Kg／mm²−時間である。
一般的なデトネーションガンにおいて、可燃性燃料および酸素は、一連のバルブを経由して、混合チャンバーに供給されるか、あるいは直接燃焼チャンバー供給される。可燃性ガスは、ガンの中へ放出される前に、約１〜３ＭＰａの圧力下で途切れることのないソースからバルブシステムに供給される。先に説明したとおり、一般的なデトネーションガンで用いられるバルブシステムは速度、信頼性および安全性について重大な問題を呈する。
コーティングの品質に影響する重要な特性は、衝撃波が移動する速度である超音速度である。衝撃波はコーティング用粉体の加速を開始し、一方デトネーションの生成物はコーティング用粉体を移動させ、他の噴射コーティング方法に比べて優れた付着性でもって高密度のコーティングを形成する。コーティング用粉体がバレルから噴出するときの速度は、特に、使用される燃料の種類ならびに燃焼チャンバーおよびバレルの幾何学的構造の影響を受ける。デトネーション可能なガス混合物に関する一般的なデトネーション波（爆轟波）の速度は、約１２００ｍ／秒〜約４０００ｍ／秒である。例えば、水素−酸素のデトネーション波の速度は約２８３０ｍ／秒であり、メタン−酸素の場合、約２５００ｍ／秒である。従来の技術に基づくデトネーションガン構造における達成可能な最大速度は約３０００ｍ／秒である。
コーティングの品質に影響を及ぼすもう一つの特性はデトネーションガンの操作を行う際の周囲の温度であり、これはコーティング密度に影響を及ぼす。緻密なコーティングを形成するには、粉体がデトネーションガンのバレルの中で溶融する必要がある。可燃性ガス混合物の断熱火炎温度が高いほど、コーティング用粉体を溶融することはより容易になる。問題としているガス混合物の一般的な断熱火炎温度は約１９００℃〜約３２００℃であり、水素−酸素については約２８０７℃、メタン−酸素については約２７５７℃である。粉体に付与される熱は、バレルの幾何学的構造ならびにバレルの能動的な冷却を含む多くのパラメータの関数である。これらの温度は殆どの基体材料を溶融させるのに十分に高い温度であるが、デトネーションガン内におけるデトネーションの非連続性、ならびにガンのバレルと基体との間における急速な熱損失が、基体の損傷を防止する。
デトネーションガンの操作における非燃焼性ガス、不活性ガスの使用もまた、コーティングの密度を減少させ、またコーティングと基体との間の付着性に悪影響を及ぼすことによって、形成されるコーティングの品質に影響を与える。デトネーションガンの操作における非燃焼性ガスの三種類の一般的な用途は次のものである：１．パージガス；２．粉体搬送ガス；３．デトネーション工程（プロセス）におけるコントロール。パージガスは一般に不活性ガスであり、燃焼プロセスを停止させるために点火プラグの連続的な点火と点火の間で燃焼チャンバーをパージするために主として用いられる。これは一般的なデトネーションガンにおいて重要である。なぜならば、燃焼チャンバーは点火プラグの連続的な点火と点火の間で、一連のバルブを介して新しい所定量の可燃性燃料および酸素の混合物で充填される必要があるためである。バルブが開かれたまま燃焼チャンバーの中で燃焼が続いた場合、燃焼が燃料および酸素供給源の中まで延びて、爆発を引き起こす可能性がある。パージガスを使用することの問題の一つは、パージガスが可燃性ガスと混合し、デトネーションの全体のエネルギーを低下させることである。その結果、コーティング用粉体への伝達に利用できる熱および運動エネルギーが減少し、コーティング密度ならびにコーティングの付着は悪影響を受ける。
粉体搬送ガスは圧縮空気である場合が多いが、それは一般に貯蔵器からデトネーションガンのバレルへコーティング用粉体をデトネーション波の前に移動させるために用いられる。量が多い場合、これらのガスはデトネーション波の波面の速度と温度を低下させるので、これらのガスもまたコーティング用粉体を移動させるのに利用できる運動エネルギーを減少させる。コーティングの品質への影響は、コーティングの密度がより小さいこと、ならびに基体への付着力が弱いことから明らかになる。最後に、不活性ガスはまた、デトネーションプロセスをコントロールするものとしてデトネーション可能なガスと混合される。これらのガスは一般に、デトネーションの生成物の温度、速度および化学的雰囲気、ならびにデトネーションの安定性をコントロールするために少量用いられる。
この技術分野で必要とされているものは、独特な自続的デトネーションガンである。
発明の説明
本発明は、自続的デトネーションによりデトネーションを生じさせる装置ならびに方法に関する。自続的デトネーション装置は、燃焼チャンバー、混合物を形成するために燃料およびオキシダントガスを燃焼チャンバーに導入する手段、可燃性燃料およびオキシダントガスに点火する手段、ならびに燃焼チャンバー内で二次圧力を生じさせる手段を含み、二次圧力を生じさせる手段は点火する手段とともに混合物の自己着火を生ぜしめ、そして後のデトネーションが開始する環境を提供する。
本発明の方法は次のステップ：（ａ）燃料およびオキシダントガスを燃焼チャンバーへ供給するステップ；（ｂ）：デトネーション波を形成するために燃料およびオキシダントガスに点火するステップ；ならびに（ｃ）燃焼チャンバー内で二次圧力を生じさせるステップを含み、チャンバー内で、二次圧力は点火手段と相俟って、次のデトーネーションを開始させるために燃料とオキシダントガスが自己着火するための適当な条件を与える。
これより図面に示された実施態様を参照して、本発明をより詳しく説明する。この明細書および図面において説明される特徴は、単なる例示的なものであって、個々に或いは所望のように組み合わせて本発明の他の実施態様で用いてよい。
図面の説明
図１は本発明のデトネーションガンの一実施態様の、一部を断面にした平面図である。
図１Ａは図１に示した本発明の開始要素の一実施態様の拡大図である。
図１Ｂは図１に示した本発明の開始要素の別の実施態様の拡大図である。
図２Ａは本発明のデトネーションガンの断面の平面図である。
図２Ｂは本発明のデトネーションガンの圧力−時間グラフである。
図３Ａは本発明のデトネーションガンの断面の別の平面図である。
図３Ｂは本発明のデトネーションガンの圧力−時間の別のグラフである。
図４は本発明のデトネーションガンの反射二次圧力−角度βグラフである。
発明の好ましい実施態様
燃料とオキシダントガスの組み合わせである、可燃性ガス混合物の着火は、燃焼チャンバー内の温度と圧力、ならびに可燃性ガス混合物の組成に左右され、一方、デトネーションは、燃焼チャンバー内の温度と圧力、ならびにその容積に左右される。以下の説明では、可燃性ガス混合物の組成は一定のままであると仮定する。したがって、ある範囲内では、燃焼チャンバー内の圧力が高くなるにつれて着火に必要な温度は低くなり、逆もまた同様である。可燃性ガス混合物が着火すると、蓄積されるエネルギーの量がそのデトネーション点に達するレベルまで温度と圧力が上昇し、そしてデトネーションが開始し、デトネーション波が燃焼チャンバー内を通って伝播し始める。
図１は、全体を１０で示したデトネーションガンのようなデトネーション・コーティング装置を示している。デトネーションガン（１０）は燃料供給部（１２）、オキシダントガス供給部（１４）、混合チャンバー（１６）、燃焼チャンバー（２６）、バレル（３６）、粉体供給部（３８）、点火プラグ（４０）および開始（または起爆）要素（４４）を含む。
燃料とオキシダントガスは、燃焼チャンバー（２６）へ導入される前に、実質的に均一な可燃性ガス混合物を形成するために混合チャンバー（１６）の中で混合させることができる。燃料供給部（１２）は燃料（すなわち、天然ガス、プロパン等）を混合チャンバー（１６）へ供給し、一方オキシダントガス供給部（１４）はオキシダントガス（すなわち、酸素もしくは空気）を供給する。一般に、可燃性ガス混合物は、燃焼ができるだけ閉鎖端部（４６）に近接して起こるよう、燃焼チャンバー（２６）の点火セクション（２８）に入ることが好ましい。それにより、燃焼の結果生じるエネルギーが蓄積してバレル（３６）に達する前にデトネーションを引き起こすことを可能にする。燃料供給部（１２）およびオキシダントガス供給部（１４）はともに、反射圧力ピークと後続のデトネーション圧力ピークとの間の時間中に、燃料とオキシダントガスを燃焼チャンバー（２６）に供給するのに十分な流量と正圧で、燃料と酸素をそれぞれ供給する。
燃焼もしくはデトネーションが混合チャンバー（１６）、オキシダントガス供給部（１４）もしくは燃料供給部（１２）に広がることを防止するために、可燃性ガス混合物は、点火セクション（２８）に入る前にラビリンス（又は、入り組んだ通路、２５）を通過することが好ましい。ラビリンス（２５）は、例えば第一ブッシュ（１８）の第一開口部（２２）と第二ブッシュ（２０）の第二開口部（２４）とが通路を形成するように重なったときに形成される。通路は、可燃性ガス混合物が混合チャンバー（１６）から点火セクション（２８）へ容易に流れることを可能にするほど十分に大きいが、デトネーションセルが点火セクション（２８）から混合チャンバー（１６）、オキシダントガス供給部（１４）もしくは燃料供給部（１２）へ向かって通路を通過することを防止できるほど十分に小さいサイズを有する。デトネーションセルが通路を通過することを防止することは、燃焼が燃焼チャンバー（２６）から混合チャンバー（１６）、燃料供給部（１２）もしくはオキシダントガス供給部（１４）に広がる可能性を最小限にする。
可燃性ガス混合物が点火セクション（２８）に入ると、スパークを発生する装置、例えば点火プラグ（４０）もしくは開始（または起爆）要素（４４）が可燃性ガス混合物に点火し、燃焼を引き起こす。燃焼は燃焼チャンバー（２６）内の温度と圧力を上昇させ、それにより、その体積に起因してエネルギーレベルが上昇し、そしてデトネーションに移行する。デトネーションは多数のデトネーションセルの超音速のデトネーション波を形成する。デトネーション波は、バレル（３６）に入る前に、点火セクション（２８）から広がりセクション（３０）、中間セクション（３２）および挟まり（または収束）セクション（３４）を通過することが好ましい（図２Ａ参照）。
デトネーションは、効率的に粉体を基体（４２）の上に伝達するためにバレル（３６）の前で起こることが好ましい。デトネーションは、デトネーション波が狭まりセクション（３４）から反射して燃焼チャンバー（２６）内で反射圧力を生じさせることができるように、狭まりセクション（３４）の前で起こることが特に好ましい。バレル（３６）は細長いチャンバーであって、デトネーション波はデトネーションガン（１０）を出る前にここを通過する。一般に、粉体供給部（３８）は、デトネーション波がバレル（３６）を通過するときにコーティング用粉体をデトネーション波に導入する。デトネーション波に導入された粉体の温度がその融点よりも高い温度に上昇するための時間が十分に与えられ、それによって最終的なコーティングの密度が増加するよう、バレル（３６）は十分な全長を有していることが好ましい。粉体供給部（３８）は燃焼チャンバー（２６）に粉体を供給する向きに配置してもよいが、粉体が燃焼チャンバー（２６）の中に入って付着することを防止するために、燃焼チャンバー（２６）の開放端部（４７）から十分に距離を置いて、バレル（３６）に沿いに配置することが好ましい。
各デトネーション波が燃焼チャンバー（２６）を経由して移動しバレル（３６）から出る間に、次の点火、燃焼、デトネーショントサイクルがデトネーションガンの点火セクション（２８）の中で進行している。デトネーションは、主として、膨張するデトネーションの生成物に由来する熱の形態で有意のエネルギーを放出する発熱反応であるため、開始要素（４４）の温度の上昇を引き起こす。開始要素（４４）が所定の反射圧力（後で説明）に対して十分な温度に達した場合、二つのパラメーターは可燃性ガス混合物の着火とデトネーションを引き起こす環境を形成する。開始要素（４４）は一般に燃焼チャンバー（２６）の点火セクション（２８）の中に配置される。開始要素は、燃焼が閉鎖端部（４６）にできるだけ近接して起こり、また、燃焼エネルギーが蓄積されてデトネーションを開始するために最大限の時間を与えることができるよう、閉鎖端部（４６）に配置されることが好ましい。
図１Ａを参照して説明する、開始要素（４４）は熱エネルギーを蓄積するキャパシター部（４８ａ）および絶縁部（５０ａ）で構成されている。キャパシター部（４８ａ）は、反射圧力が生じたときに燃焼を確立させるためにデトネーションから十分なエネルギーを吸収し得る熱容量を有する材料で構成される。好ましくは、キャパシター部（４８ａ）は、キャパシター部（４８ａ）が、約１０回よりも少ない回数のデトネーションの間に、好ましくは約２回〜約１０回のデトネーションの間に可燃性ガス混合物に点火するのに十分な最低温度まで上がることを可能にする速度でエネルギーを吸収するような熱容量を有する材料で構成される。一旦キャパシター部（４８ａ）が最低温度に到達すれば、点火プラグ（４０）の接続を解除してもよく、あるいはプラグのスイッチを切ってもよい。
開始要素（４４）の絶縁部（５０ａ）は、可燃性ガス混合物が一貫して同じ位置から着火できるように、キャパシター部（４８ａ）の中に蓄積されたエネルギーが燃焼チャンバー（２６）の閉鎖端部（４６）に移動することを防止するような材料、例えばセラミックから構成されるのが好ましい。
図１Ｂは、可燃性ガス混合物に最初に点火するために、スパークを発生させるデバイス、例えば点火プラグ（４０）を必要としない別の開始要素（４４）を示している。より適切に言えば、開始要素（４４）のキャパシター部（４８ｂ）は、外部ソースにより、例えば電気的に、可燃性ガス混合物に点火するのに十分な温度まで加熱される。一旦デトネーションガン（１０）が運転中となり、開始要素が所望の温度に達すれば、キャパシター部（４８ｂ）用の外部電源のスイッチを切ってもよい。デトネーションに起因するエネルギーは、所定の反射圧力で可燃性ガス混合物に点火するのに必要な最低点火温度よりも高い温度にキャパシター部（４８ｂ）の温度を維持する。
燃焼チャンバー内の操作圧力はデトネーションセルの挙動により影響を受ける。着火の前では、燃焼チャンバー内の圧力は、燃料および酸素供給圧力ならびに燃焼チャンバーの幾何学的構造によってコントロールされる。可燃性ガス混合物の点火後、燃焼チャンバー内の局所的な圧力は上昇し、デトネーションが起こる時に最大に達する。この最初の最大圧力をデトネーション圧力ピーク（Ｐ１）と称し、図２Ｂに示す。デトネーション波がバレル内に移動したとき、燃焼チャンバー内で希薄圧力ピーク（Ｐ３）が測定される。希薄圧力ピーク（Ｐ３）はデトネーションサイクル中、最小圧力である。その後、一定の条件の下で、デトネーション波の波面からの反射波が存在することに起因して、燃焼チャンバー内で正圧ピークが続いて測定される。この後続の圧力ピークを二次圧力ピークもしくは反射圧力ピーク（Ｐ２）と称する。このピークはデトネーションサイクル中、二番目に高い圧力ピークである。
デトネーションサイクルの一部に関する圧力プロフィールを示している図２Ｂを参照して説明すると、時間（Ｔ）はデトネーション圧力ピーク（Ｐ１）と反射圧力ピーク（Ｐ２）の間の時間である。（Ｐ１）はデトネーションに起因する初期圧力のピークであり、一方、（Ｐ２）は二次圧力のピークである。上述したとおり、二次圧力は、最初のデトネーション波が狭まりセクション（３４）の壁から燃焼チャンバー（２６）の閉鎖端部（４６）の方へ逆流するように反射し、燃焼チャンバー（２６）内で「反射圧力」を生成することによって形成される。
反射圧力は、燃焼チャンバー（２６）内の局部的な圧力を、開始要素（４４）の温度と相俟って燃焼チャンバー（２６）内の可燃性ガス混合物に点火するのに十分なレベルまで上昇させる。デトネーションのサイクル時間は燃焼チャンバー（２６）の長さ（Ｌ）を減少することによって短くなる（図２Ａ参照）。長さ（Ｌ）を短くすると、デトネーション圧力ピーク（Ｐ１）と反射圧力ピーク（Ｐ２）との間の時間（Ｔ）が減少する（図２Ｂを図３Ｂと対照させて参照）。デトネーションガン（１０）をその最小デトネーションサイクル時間（Ｔ）で操作することは、デトネーションの速度（割合）を増加させる。
上述したように、一旦デトネーションが起こると、デトネーション波は、その開始点からバレル（３６）に向かって移動する。デトネーション波がバレル（３６）に達するために移動しなければならない最大距離は距離（Ｌ）である（図２Ａ参照）。距離（Ｌ）は、燃焼チャンバー（２６）の閉鎖端部（４６）から燃焼チャンバー（２６）の開放端部（４７）、すなわち狭まりセクション（３４）の下流側の端部までを測定して求められる。
デトネーションサイクルを完結するために必要とされる時間（Ｔ）は、デトネーション波が開始点から狭まりセクション（３４）まで持続させられ、そして点火セクション（２８）へ戻るのに要する時間に依存する。したがって、デトネーション波が移動する最大の距離は、開始点が正確に開始要素（４４）にある場合には、２Ｌである。距離（Ｌ）が減少すると、デトネーションサイクルの時間（Ｔ）もまた減少する。図３Ａに示すように、長さ（Ｌ’）を燃焼チャンバー（２６）の中間セクション（３２）を取り除くことによって減少させると、それにより、図３Ｂに示すように時間（Ｔ）に比べて時間（Ｔ’）は減少する。
燃焼チャンバー（２６）の長さに加えて、デトネーションの速度はまた反射圧力ピーク（Ｐ２）の強度の関数でもある。圧力ピーク（Ｐ２）の強度が増加すると、デトネーションサイクル中、燃焼チャンバー（２６）に作用する最小の圧力である希薄圧力ピーク（Ｐ３）から反射圧力ピーク（Ｐ２）へのカーブの傾きが大きくなる。反射圧力（Ｐ２）の強度が大きくなると、燃焼チャンバー（２６）内の圧力が可燃性ガス混合物に点火するのに必要な圧力により短時間で達するので、ガス混合物はより速やかに着火する。最大のデトネーション速度に達するためには、燃焼チャンバー（２６）内の圧力の強度が、その最大値、すなわち最大反射圧力（Ｐmax)にある必要がある（図４参照）。
反射圧力は、狭まりセクション（３４）がバレル（３６）に向かって収束（または収縮）している角度βの関数である（図３Ａおよび図４参照）。角度βが大きくなると、燃焼チャンバー（２６）内の圧力は増加し、圧力は最大反射圧力（Ｐmax）に達する。圧力が最大圧力（Ｐmax）に達した後も角度βが大きくなり続けると、燃焼チャンバー（２６）内の圧力は減少し始める。継続的にデトネーションを開始するためには、燃焼チャンバー（２６）内の圧力は、臨界圧力（Ｐｃ）、すなわち開始要素（４４）の所定の温度においてデトネーションを開始するのに必要とされる最小圧力を越える必要がある。したがって、角度βは最大臨界角度（βmax）よりも小さい角度であって、最小臨界角度（βmin）よりも大きい角度であることが必要である。例えば、酸素／天然ガスの比が約２〜約７であるデトネーション可能な混合物について、最大臨界角度（βmax）は一般に約５０°、好ましくは約３５°であり、一方、最小臨界角度（βmin）は約８°であり、好ましくは約１５°である。
反射圧力を生じさせる狭まりセクション（３４）と異なり、広がりセクション（３０）はデトネーションプロセスの安定性を維持するために設計されている。広がりセクション（３０）は、点火セクション（２８）から角度αで広がっている（図３Ａ参照）。点火後、デトネーション可能なガス混合物は広がりセクション（３０）を通過し、その燃焼フロントは広がり、そしてそのスピードは減少し、次に、広がりセクション（３０）内の圧力を増加させ、デトネーションへの移行を促進する。燃焼フロントの速度を減少し、点火セクション（２２）の後に続く広がりセクション（３０）内部の圧力を上昇させるために、角度αは一般に約１５°よりも大きく、好ましくは約３０°〜約７５°である。
実施例として、角度αが３０°である広がりセクション（３０）と角度βが１５°である狭まりセクション（３４）とを有するデトネーションガン（１０）を、デトネーションガン（１０）に導入されるコーティング用粉体Amperit526.062で、基体を約４kg／時間の噴霧速度でコーティングするために用いた。天然ガスを流量１０リットル／分で点火セクション（２８）に供給し、一方酸素および空気を、オキシダントガスを形成するために組み合わせ、それぞれ流速４７ニットル／分および１２リットル／分で供給した。付着効率は８０％、すなわち、デトネーションガン（１０）に導入された粉体のうち８０％が基体（４２）に付着した。さらに、デトネーション速度は、５５デトネーション／秒を達成した。
本発明のデトネーションガンは、従来と同様のガス流量を用い、かつコーティングの密度および多孔度といった質的な特性を同等に維持しながら、従来技術のデトネーションガンのデトネーション速度を５倍以上上回るだけでなく、このデトネーションガンは１秒につき約１００〜３００デトネーションもしくはそれを上回るデトネーション速度を達成することができる。更に、このデトネーションガンは自続性のものであって、デトネーションガンのデトネーション速度が、例えば点火プラグのような点火装置の制約によって制限されないようなものである。より適切に言えば、このデトネーションガンは圧力が生じたときに可燃性混合物に点火する。
ここで開示された実施態様に種々の改造を施してもよいことが理解されよう。例えば、燃料およびオキシダントガスの温度が、燃焼チャンバー（２６）内の圧力と相俟って、可燃性ガス混合物に点火するのに十分なものであれば、開始要素（４４）は必要とされない場合がある。更に、開始要素（４４）は、電気以外の他の手段で加熱してもよく、また、開始要素（４４）のキャパシター部（４８）は、ここで述べたものよりも高い熱容量を有する材料で構成してもよい。更に、燃焼チャンバー（２６）を圧縮すると、可燃性混合物に点火するのに十分な二次圧力ピークが燃焼チャンバー（２６）内で生じ得る。したがって、上述の説明は本発明を限定するものとしてではなく、好ましい実施態様を単に例示しているものとして解釈されるべきである。この分野の当業者は、ここに添付された請求の範囲の概念および範囲内で他の変形を想到することができよう。

Claims (24)

1. 閉鎖端部、開放端部、ならびに中でデトネーションを開始させるのに十分な容積を有する燃焼チャンバー；
   前記燃焼チャンバーに燃料を導入する手段；
   前記燃焼チャンバーにオキシダントガスを導入する手段；
   前記燃焼チャンバーにおいて燃料とオキシダントガスに点火する手段；ならびに
   前記燃焼チャンバー内で二次圧力を生じさせる手段
   を有し、
   前記燃焼チャンバー内で、デトネーションの後に、前記点火手段が前記二次圧力を生じさせる手段とともに、燃料とオキシダントガスが着火して後のデトネーションを開始するような環境を形成し、
   前記点火手段が、デトネーションから十分なエネルギーを吸収し、二次圧力下で燃料とオキシダントガスに点火して後続のデトネーションを開始するのに十分な温度に到達することができる開始要素である、
   自続的デトネーション装置。
2. 入口と出口を有するバレルを更に含み、前記入口が前記燃焼チャンバーの前記開放端部に隣接して配置されている請求項１に記載の自続的デトネーション装置。
3. 粉体が前記バレルの前記出口を経由して装置から出るように、装置に粉体を供給する手段を更に含む、請求項２に記載の自続的デトネーション装置。
4. 燃焼が前記燃焼チャンバーから前記オキシダントガスを導入する手段へ広がることを防止するためのラビリンスもしくはバルブ；および燃焼が前記燃焼チャンバーから前記燃料を導入する手段に広がることを防止するための第二のラビリンスもしくはバルブを更に有する請求項１に記載の自続的デトネーション装置。
5. 前記燃料を導入する手段および前記オキシダントガスを導入する手段が前記燃焼チャンバーに連通している混合チャンバーである、請求項１に記載の自続的デトネーション装置。
6. 前記点火手段がスパークを生じる手段を更に含み、前記開始要素が二次圧力と相俟って燃料およびオキシダントガスに点火するのに十分な温度に到達するまで、前記スパークを生じる手段が装置内の可燃性燃料とオキシダントガスに点火する、請求項１に記載の自続的デトネーション装置。
7. 前記開始要素がニクロムキャパシター部と絶縁部とを更に含む請求項６に記載の自続的デトネーション装置。
8. 前記開始要素が電気的に加熱される、請求項１に記載の自続的デトネーション装置。
9. 前記燃焼チャンバーが：
   上流側の開口部と、前記開放端部を形成している下流側の開口部を有し、前記上流側の開口部が前記下流側の開口部に向かって角度βで収束している挟まりセクション；および
   前記閉鎖端部から前記上流側の開口部に向かって延びている点火セクションを更に有する請求項１に記載の自続的デトネーション装置。
10. 前記角度βが５０°か或いはそれよりも小さい請求項９に記載の自続的デトネーション装置。
11. 前記角度βが８°〜３５°である請求項９に記載の自続的デトネーション装置。
12. 第一開口部と第二開口部を有する広がりセクションを更に有し、前記広がりセクションは前記第一開口部から前記第二開口部へ角度αで広がっており、そして広がりセクションは前記点火セクションと前記狭まりセクションとの間に挿入されていて、前記第二開口部が前記狭まりセクションの前記上流側の開口部に隣接して配置されており、前記広がりセクションと点火セクションは、前記狭まりセクションの手前でデトネーションを開始するために十分な組み合わされた容積を有している請求項９に記載の自続的デトネーション装置。
13. 前記角度αが１５°よりも大きい請求項１２に記載の自続的デトネーション装置。
14. ある長さを有する中間セクションを更に有し、前記中間セクションが前記広がりセクションと前記狭まりセクションとの間に挿入されている、請求項１２に記載の自続的デトネーション装置。
15. 入口と出口とを有するバレル；
    粉体が前記出口を経由して装置から出るように装置へ粉体を導入する手段；
    閉鎖端部、開放端部、点火セクション、狭まりセクション、および前記狭まりセクションの手前でデトネーションを開始するのに十分な容積を有する燃焼チャンバーであって、前記点火セクションは前記閉鎖端部から前記狭まりセクションへ向かって延びており、前記狭まりセクションは上流側の開口部と前記開放端部を形成する下流側の開口部とを有し、前記上流側の開口部は前記下流側の開口部に向かって角度βで収束しており、その角度は、デトネーション波を、前記狭まりセクションから反射させて前記点火セクションの方へ逆流させ、燃焼チャンバー内に二次圧力を生ぜしめるのに十分な角度である、燃焼チャンバー；
    前記燃焼チャンバーに燃料を導入する手段；
    前記燃焼チャンバーにオキシダントガスを導入する手段；
    燃焼が前記燃焼チャンバーから、前記オキシダントガスを導入する手段へ広がることを防止する手段；
    燃焼が前記燃焼チャンバーから、前記燃料を導入する手段へ広がることを防止する手段；および
    二次圧力と相俟って、燃料とオキシダントガスに点火するのに十分な温度に到達できる開始要素であって、前記燃焼チャンバーに配置される開始要素
    を含むガスデトネーション・コーティング装置。
16. 第一開口部と第二開口部とを有する広がりセクションを更に含み、前記広がりセクションは前記第一開口部から前記第二開口部へ角度αで広がっており、前記広がりセクションは、前記点火セクションと前記狭まりセクションとの間に挿入され、前記第二開口部が前記狭まりセクションの前記上流側の開口部に隣接するように配置されている、請求項１５に記載のガスデトネーション・コーティング装置。
17. ある長さを有する中間セクションを更に含み、前記中間セクションは前記広がりセクションと前記狭まりセクションとの間に挿入されている、請求項１６に記載のガスデトネーション・コーティング装置。
18. 前記開始要素の温度が二次圧力と相俟って燃料とオキシダントガスに点火するのに十分な温度になるまで、燃料とオキシダントガスに点火するスパーク生成装置を更に含み、前記スパーク生成装置は前記燃焼チャンバー内部に配置されている請求項１５に記載のガスデトネーション・コーティング装置。
19. 前記開始要素が電気的に加熱される請求項１５に記載のガスデトネーション・コーティング装置。
20. 燃料とオキシダントガスを燃焼チャンバーに供給する工程；
    前記燃料とオキシダントガスに点火してデトネーション波を生じさせる工程；
    前記燃焼チャンバー内に二次圧力を生じさせる工程；および
    前記二次圧力下で、燃焼チャンバー内の追加の燃料とオキシダントガスに点火するのに十分な温度に開始要素を加熱し、その後のデトネーションを引き起こす工程；
    を含む、デトネーション・コーティング装置において自続的にデトネーションを実施する方法。
21. 粉体が基体に射出されるように、前記デトネーション波の前に粉体を導入することを更に含む請求項２０に記載の方法。
22. 前記可燃性の燃料とオキシダントガスを混合することを更に含む請求項２０に記載の方法。
23. デトネーションセルが燃料およびオキシダントガスを供給する手段に入ることを防止することを更に含む請求項２０に記載の方法。
24. 前記二次圧力を生じさせる工程が、前記燃焼チャンバー内のデトネーション波を前記燃焼チャンバーの傾斜したセクションから反射させることを含む請求項２０に記載の方法。

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